Fotovoltaiklerin tarihi, ilk güneş panellerinin nasıl yaratıldığı
Keşifler, deneyler ve teoriler
Fotovoltaiklerin tarihi, fotoelektrik etkinin keşfedilmesiyle başlar. Bir çözeltiye (sıvıya) daldırılmış metal elektrotlar arasındaki akımın aydınlatma yoğunluğuna göre değiştiği sonucu, Alexandre Edmond Becquerel tarafından 29 Temmuz 1839 Pazartesi günü Fransız Bilimler Akademisi toplantısında sunuldu ve ardından bir makale yayınladı.
Babası Antoine César Becquerel'e bazen kaşif denir. Bunun nedeni, Edmond Becquerel'in yayınlandığı sırada sadece 20 yaşında olması ve hala babasının laboratuvarında çalışıyor olması olabilir.
Büyük İskoç bilim adamı James Clerk Maxwell, bilim camiasının dikkatine ilk kez 1873'te Willoughby Smith tarafından Journal of the Society of Telegraph Engineers'da yayınlanan bir makaleyle getirilen selenyumun davranışıyla ilgilenen birçok Avrupalı bilim insanı arasındaydı.
Gutta Percha Company'nin baş elektrik mühendisi olan Smith, 1860'ların sonlarında dalıştan önce transatlantik kablolardaki arızaları tespit etmek için bir cihazda selenyum çubukları kullandı. Selenyum çubuklar geceleri iyi çalışırken, güneş çıkınca korkunç çalıştılar.
Selenyumun özel özelliklerinin üzerine düşen ışık miktarıyla ilgili olduğundan şüphelenen Smith, çubukları sürgülü kapaklı bir kutuya yerleştirdi. Çekmece kapatılıp ışıklar söndürüldüğünde, çubukların direnci -bir elektrik akımının içlerinden geçmesini engelleme derecesi- maksimumdu ve sabit kaldı. Ancak kutunun kapağı kaldırıldığında, iletkenlikleri hemen "ışığın yoğunluğuna göre arttı."
Smith'in raporundan sonra ışığın selenyum üzerindeki etkisini inceleyen araştırmacılar arasında iki İngiliz bilim adamı, Profesör William Grylls Adams ve öğrencisi Richard Evans Day vardı.
1870'lerin sonunda selenyumu birçok deneye tabi tuttular ve bu deneylerden birinde Smith'in kullandığı selenyum çubuklarının yanında bir mum yaktılar. Sayaçlarındaki ok hemen tepki verir. Selenyumun ışıktan korunması iğnenin hemen sıfıra düşmesine neden oldu.
Bu hızlı reaksiyonlar, ısı sağlandığında veya çıkarıldığında mum alevinin ısısının bir akım üretme olasılığını engeller. termoelektrik deneylerde, iğne her zaman yavaşça yükselir veya düşer. Araştırmacılar "bu nedenle", "akımın yalnızca ışık etkisi altında selenyumda salınabileceği açıktı" sonucuna vardılar. Adams ve Day, ışığın ürettiği akımı "fotovoltaik" olarak adlandırdı.
Becquerel tarafından gözlemlenen fotoelektrik etkinin aksine, bir elektrik hücresindeki akım ışığın etkisi altında değiştiğinde, bu durumda elektrik voltajı (ve akımı), yalnızca ışığın etkisi altında harici bir elektrik alanının etkisi olmadan üretildi.
Adams ve Day, İngiltere'deki birçok önde gelen kişiye sundukları, ancak pratik kullanıma getirmedikleri bir konsantre fotovoltaik sistem modeli bile yarattılar.
Başka bir içerik oluşturucu fotovoltaik hücreler selenyuma dayalı olarak 1883'te Amerikalı mucit Charles Fritts idi.
Metal bir plaka üzerine geniş ve ince bir selenyum tabakası yaydı ve onu ince, yarı saydam bir altın varak filmiyle kapladı. Fritz, bu selenyum modülünün "sürekli, sabit ve oldukça güçlü ... aynı zamanda zayıf, dağınık gün ışığında ve hatta lamba ışığında'.
Ancak fotovoltaik hücrelerinin verimliliği %1'den azdı. Ancak, Edison'un kömürle çalışan elektrik santralleriyle rekabet edebileceklerine inanıyordu.
Charles Fritts'in 1884'te New York City çatısında yaldızlı selenyum güneş panelleri.
Fritz, güneş panellerinden birini Edison'unki kadar ünü olan Werner von Siemens'e gönderdi.
Siemens, panellerin yandığındaki elektrik gücünden o kadar etkilendi ki, ünlü bir Alman bilim adamı Fritts panelini Prusya'daki Kraliyet Akademisi'ne sundu. Siemens, bilim dünyasına Amerikan modüllerinin "ışık enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesini ilk kez bize sunduğunu" söyledi.
Çok az bilim insanı Siemens'in çağrısına kulak verdi. Keşif, o zamanlar bilimin inandığı her şeyle çelişiyor gibiydi.
Adams ve Day tarafından kullanılan selenyum çubukları ve Frith'in "sihirli" panelleri, enerji üretmek için fiziğin bildiği yöntemlere dayanmıyordu. Bu nedenle, çoğunluk onları daha ileri bilimsel araştırma kapsamından dışladı.
Fotoelektrik fenomenin fiziksel ilkesi, yüzyılın başında Max Karl Ernst Ludwig Planck tarafından yayınlanan, elektromanyetik alana uyguladığı elektromanyetik alan üzerine 1905 tarihli makalesinde Albert Einstein tarafından teorik olarak tanımlandı.
Einstein'ın açıklaması, salınan bir elektronun enerjisinin yalnızca radyasyonun frekansına (foton enerjisi) ve radyasyonun yoğunluğundan elektron sayısına (foton sayısı) bağlı olduğunu göstermektedir. Teorik fiziğin geliştirilmesindeki çalışmaları, özellikle de fotoelektrik etki yasalarının keşfi nedeniyle Einstein, 1921'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.
Einstein'ın ışığın cesur yeni tanımı, elektronun keşfi ve ardından onun davranışını inceleme dürtüsüyle birleşince -hepsi 19. yüzyılın başlarında meydana geldi- fotoelektriğe daha önce sahip olmadığı ve artık fenomeni terimlerle açıklayabilen bilimsel bir temel sağladı. bilim için anlaşılır.
Selenyum gibi malzemelerde, daha güçlü fotonlar, gevşek bağlı elektronları atomik yörüngelerinden dışarı atmaya yetecek kadar enerji taşırlar. Teller selenyum çubuklara bağlandığında, serbest kalan elektronlar elektrik olarak bunların içinden akar.
19. yüzyıl deneycileri süreci fotovoltaik olarak adlandırdılar, ancak 1920'lerde bilim adamları bu fenomeni fotoelektrik etki olarak adlandırıyorlardı.
1919'da güneş pilleri üzerine yazdığı kitabındaThomas Benson, öncülerin "kaçınılmaz güneş jeneratörü" nün öncüsü olarak selenyumla çalışmalarını övdü.
Bununla birlikte, ufukta herhangi bir keşif olmadığı için, Westinghouse'un fotovoltaik bölümünün başkanı ancak şu sonuca varabildi: "Fotovoltaik hücreler, en az elli kat daha verimli olana kadar uygulamalı mühendislerin ilgisini çekmeyecektir."
Photovoltaics and Its Applications'ın yazarları, 1949'da yazan karamsar tahminle aynı fikirdeydi: "Maddi olarak daha verimli hücrelerin keşfinin güneş enerjisini faydalı amaçlar için kullanma olasılığını açıp açmayacağı geleceğe bırakılmalıdır."
Fotovoltaik etkilerin mekanizmaları: Fotovoltaik etki ve çeşitleri
Pratikte fotovoltaik
1940 yılında, Russell Shoemaker Ole yanlışlıkla Pn kavşağı silikon üzerinde ve aydınlatıldığında elektrik ürettiğini buldu. Buluşunun patentini aldı. Verimlilik yaklaşık %1'dir.
Güneş pillerinin modern formu 1954'te Bell Laboratuvarlarında doğdu. Katkılı silikon ile yapılan deneylerde, yüksek ışığa duyarlılığı kurulmuştur. Sonuç, yaklaşık yüzde altı verimliliğe sahip bir fotovoltaik hücreydi.
Proud Bell yöneticileri, 25 Nisan 1954'te, dönme dolaba güç sağlamak için yalnızca ışık enerjisine dayanan bir hücre paneli içeren Bell Solar Panel'i tanıttı. Ertesi gün, Bell bilim adamları, Washington'da bir toplantı için toplanan Amerika'nın önde gelen bilim adamlarına ses ve müzik yayınlayan güneş enerjisiyle çalışan bir radyo vericisini fırlattı.
İlk güneş fotovoltaik hücreleri 1950'lerin başında geliştirildi.
Southern Bell elektrikçisi 1955'te bir güneş paneli monte ediyor.
Fotovoltaik hücreler, 1950'lerin sonlarından beri uzay uydularında çeşitli cihazlara güç sağlamak için bir elektrik kaynağı olarak kullanılmıştır. Fotoselli ilk uydu, 17 Mart 1958'de yörüngeye fırlatılan Amerikan uydusu Vanguard I (Avangard I) idi.
Amerikan uydusu Vanguard I, 1958.
Vanguard I uydusu hala yörüngede. Uzayda 60 yıldan fazla zaman geçirdi (uzaydaki en eski insan yapımı nesne olarak kabul edilir).
Vanguard I, güneş enerjisiyle çalışan ilk uyduydu ve güneş hücreleri, uyduya yedi yıl boyunca güç sağladı. 1964'te Dünya'ya sinyal göndermeyi bıraktı, ancak o zamandan beri araştırmacılar onu Güneş, Ay ve Dünya atmosferinin yörüngedeki uyduları nasıl etkilediğine dair fikir edinmek için kullanmaya devam ediyor.
Yükseltilmiş güneş panelli Amerikan uydusu Explorer 6, 1959.
Birkaç istisna dışında, uzun süre çalışması beklenen cihazlar için ana elektrik kaynağıdır. Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) üzerindeki fotovoltaik panellerin toplam kapasitesi 110 kWh'dir.
Uzayda güneş panelleri
1950'lerde ilk fotovoltaik hücrelerin fiyatları, nominal gücün watt başına binlerce dolardı ve onları üretmek için harcanan enerji, bu hücrelerin ömürleri boyunca ürettikleri elektrik miktarını aştı.
Bunun nedeni, düşük verimliliğin yanı sıra, fotovoltaik hücrelerin üretiminde mikroçip üretiminde olduğu gibi pratik olarak aynı teknolojik ve enerji yoğun prosedürlerin kullanılmış olmasıydı.
Karasal koşullarda, fotovoltaik paneller ilk olarak uzak konumlardaki küçük cihazlara veya örneğin elektrik şebekesine bağlamanın son derece zor veya imkansız olduğu şamandıralara güç sağlamak için kullanıldı. Fotovoltaik panellerin diğer elektrik kaynaklarına göre en büyük avantajı yakıt ve bakım gerektirmemesidir.
İlk seri üretim fotovoltaik paneller 1979'da piyasaya çıktı.
Diğer yenilenebilir kaynakların yanı sıra Dünya'da bir enerji kaynağı olarak fotovoltaiklere olan ilginin artması, 1970'lerin petrol krizi tarafından körüklendi.
O zamandan beri yoğun araştırma ve geliştirme çalışmaları yürütülerek fotovoltaik hücreler ve panellerde daha yüksek verimlilik, daha düşük fiyatlar ve daha uzun ömür elde edildi. Aynı zamanda, üretimin enerji yoğunluğu o kadar azaldı ki panel, onu üretmek için kullanılandan çok daha fazla enerji üretiyor.
En eski (hala kullanımda olan) büyük kıyı yapıları 1980'lerin başından kalmadır. O zamanlar, hizmet ömrü en az 30 yıl olan gerçek koşullarda onaylanan kristal silikon hücreler hala tamamen hakimdi.
Üreticiler deneyimlerine dayanarak, panelin performansının 25 yıl sonra maksimum %20 oranında düşeceğini garanti etmektedir (ancak bahsedilen kurulumların sonuçları çok daha iyidir). Diğer panel türleri için hizmet ömrü, hızlandırılmış testlere dayalı olarak tahmin edilir.
Orijinal monokristal silikon hücrelere ek olarak, yıllar içinde bir dizi yeni tip fotovoltaik hücre geliştirilmiştir. hem kristal hem de ince film… Bununla birlikte, silikon, fotovoltaikte hala baskın malzemedir.
Fotovoltaik teknolojisi, esas olarak daha önce pazarda azınlık bir oyuncu olan Çin'e üretimin aktarılması nedeniyle kristal silikon fiyatlarının hızla düşmeye başladığı 2008'den bu yana büyük bir patlama yaşadı (fotovoltaik üretimin çoğunluğu Japonya'da yoğunlaştı. ABD, İspanya ve Almanya).
Fotovoltaik, ancak çeşitli destek sistemlerinin devreye girmesiyle yaygınlaştı. İlki Japonya'daki sübvansiyon programı ve ardından Almanya'daki satın alma fiyatı sistemiydi. Daha sonra, benzer sistemler bir dizi başka ülkede tanıtıldı.
Fotovoltaik enerji günümüzde en yaygın yenilenebilir enerji kaynağıdır ve aynı zamanda çok hızlı büyüyen bir endüstridir. Binaların çatılarına ve tarımsal iş için kullanılamayan arazilere yaygın olarak kurulur.
En son trendler aynı zamanda su tesisatlarını da içermektedir. yüzer fotovoltaik sistemler ve tarımsal üretim ile fotovoltaik tesisleri birleştiren agro-fotovoltaik tesisler.